Del defecto al material de alta tecnología
Precisión a nivel atómico: un equipo de investigación arroja luz sobre la nanosíntesis
Las nanoplaquetas de seleniuro de cadmio constituyen una base prometedora para el desarrollo de materiales electrónicos innovadores. Desde el cambio de milenio, investigadores de todo el mundo se han interesado especialmente por estas minúsculas plaquetas, de sólo unos átomos de grosor, ya que ofrecen extraordinarias propiedades ópticas y de otro tipo. Un equipo del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), la Universidad Técnica de Dresde y el Instituto Leibniz de Investigación del Estado Sólido y los Materiales de Dresde (IFW) ha dado un paso importante hacia la producción sistemática de estas nanoplaquetas. Los investigadores han podido adquirir conocimientos fundamentales sobre la interacción entre estructura y función, según informan en la revista Small.
Las nanoestructuras basadas en cadmio se prestan al desarrollo de materiales bidimensionales que entran en interacciones específicas con la luz infrarroja cercana (NIR), ya sea absorbiendo, reflejando o emitiendo luz, o exhibiendo otras propiedades ópticas. Esta gama espectral es de interés para numerosas tecnologías. En el diagnóstico médico, por ejemplo, estos materiales ofrecen una visión más profunda de los tejidos, ya que la luz NIR se dispersa menos que la luz visible. En la tecnología de las comunicaciones, los materiales NIR se utilizan en sistemas de fibra óptica muy eficientes. En energía solar, podrían aumentar la eficiencia de las células fotovoltaicas.
"La capacidad de modificar específicamente el material para que presente las propiedades ópticas y electrónicas deseadas es crucial para todas estas aplicaciones", afirma el Dr. Rico Friedrich, del Instituto de Física de Haz de Iones e Investigación de Materiales del HZDR y Catedrático de Química Teórica de la TU Dresden. "En el pasado, esto suponía un reto porque la síntesis nanoquímica solía consistir más en mezclar materiales por ensayo y error", añade el profesor Alexander Eychmüller, catedrático de Química Física de la Universidad Técnica de Dresde. Ambos científicos dirigieron conjuntamente el proyecto de investigación en colaboración.
Un enfoque innovador: Intercambio de cationes para producir nanopartículas bien definidas
El reto consiste en controlar específicamente el número de capas atómicas y su composición en las nanoestructuras (y, por tanto, su grosor) sin alterar su anchura y longitud. La síntesis de nanopartículas tan complejas es un reto clave en la investigación de materiales. Aquí es donde entra en juego el intercambio catiónico. En este método, determinados cationes (iones con carga positiva) de una nanopartícula se sustituyen sistemáticamente por otros. "El proceso nos da un control preciso sobre la composición y la estructura, lo que nos permite producir partículas con propiedades que no podríamos alcanzar con los métodos de síntesis convencionales". Sin embargo, poco se sabe sobre el funcionamiento exacto y el punto de partida de esta reacción", afirma Eychmüller.
En el proyecto actual, el equipo se centró en las nanoplaquetas, cuyas esquinas activas desempeñan un papel crucial. Estas esquinas son especialmente reactivas desde el punto de vista químico, lo que permite unir las plaquetas en estructuras organizadas. Para comprender mejor estos efectos, los investigadores combinaron sofisticados métodos sintéticos, microscopía (electrónica) de resolución atómica y extensas simulaciones por ordenador.
Los rincones y defectos activos de las nanopartículas no sólo son interesantes por su reactividad química, sino también por sus propiedades ópticas y electrónicas. Estos lugares suelen tener una alta concentración de portadores de carga, lo que puede afectar a su transporte y a la absorción de luz. "Combinados con la capacidad de intercambiar átomos o iones individuales, también podríamos utilizar tales defectos en la catálisis de átomo único, aprovechando la alta reactividad y selectividad de los átomos individuales para aumentar la eficiencia de los procesos químicos", explica Friedrich. El control preciso de estos defectos también es crucial para la actividad NIR de los nanomateriales. Afectan a la forma en que se absorbe, emite o dispersa la luz infrarroja cercana, lo que ofrece vías para optimizar sistemáticamente las propiedades ópticas".
Unir nanoestructuras: Un paso hacia la autoorganización
Otro resultado de esta investigación es la posibilidad de enlazar sistemáticamente nanoplaquetas por sus esquinas activas, combinando las partículas en estructuras ordenadas o incluso autoorganizadas. Las aplicaciones futuras podrían utilizar esta organización para producir materiales complejos con funciones integradas, como sensores activos NIR o nuevos tipos de componentes electrónicos. En la práctica, estos materiales podrían aumentar la eficacia de sensores y células solares o facilitar nuevos métodos de transmisión de datos. Al mismo tiempo, la investigación también genera conocimientos fundamentales para otras áreas de la nanociencia, como la catálisis o los materiales cuánticos.
Los hallazgos del equipo sólo fueron posibles gracias a una combinación de métodos sintéticos, experimentales y teóricos de vanguardia. Los investigadores no sólo pudieron controlar con precisión la estructura de las nanopartículas, sino también investigar en detalle el papel de las esquinas activas. Los experimentos sobre la distribución atómica de los defectos y el análisis de la composición se combinaron con la modelización teórica para obtener una comprensión exhaustiva de las propiedades del material.
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